一、一个协议装不下

1974 年那篇论文要解决的问题有两个：

第一行是「网际」的核心难点：卫星网、无线电网、地面线的寻址方式完全不同， 如果协议里写死了某一种地址格式，就永远只能连一种网。 所以必须有一层「统一的地址」，把底下的差异盖住——这就是 IP 层。 第二行是「拆开」的另一个理由：不是所有应用都需要可靠传输。 语音、视频宁可丢包也不要等重传，如果只有一个「可靠版」协议，这些应用就得白付重传的代价。 所以必须有一个「不可靠版」可选——这就是 UDP。

二、看字段名就明白分工

把两个头部的字段摆在一起，分工一目了然：

左列九个字段里没有一个地址，右列表里没有一个端口。 这不是巧合，是刻意分开的。 TCP 只管「哪个程序、第几个字节、收到没有」；IP 只管「从哪台机器、到哪台机器」。 所以换掉 TCP 不影响寻址，换掉 IP 不影响可靠性。 这个分工还能再往下拆一层： 右列里那个「协议」字段只有 8 位，它记录「上面装的是谁」——6 是 TCP、17 是 UDP、1 是 ICMP。 一个字节，就让 IP 层能承载任意多种上层协议，不需要为每种协议改 IP 头。

三、拆开之后能替换

同一层可以有好几种实现，这才是拆开的收益：

第二行是「替换」最成功的例子：UDP 就是把 TCP 换掉、只留端口概念的结果， 头部从 20 字节减到 8 字节。 它在 IP 头里占的是另一个协议号（17），与 TCP 并列。 第三、四行说明这个位置能装更多东西：SCTP 用于电信信令，ESP／AH 用于 IPsec， 它们都不改 IP 头，只在「协议」字段里占一个新的编号。 这就是「一个字节的可扩展性」——8 位最多 256 种，够用几十年。 对比一下：如果当年把 TCP 与 IP 合成一个协议，今天想加一个「不可靠版」就得改全网的实现。 所以「拆得对不对」的标准不是「优雅」，是「以后好不好改」。

四、动手 Demo：TCP 与 IP 分开，是结构上的分工

把两个头部的字段名摆出来对照，再看本机的协议号。 重点是「左列没有地址、右列没有端口」。

import socket

tcp = ['源端口', '目的端口', '序号', '确认号', '数据偏移',
       '标志位', '窗口', '校验和', '紧急指针']
ip = ['版本', '首部长度', '区分服务', '总长度', '标识',
      '标志与片偏移', '生存时间', '协议', '首部校验和',
      '源地址', '目的地址']

for i in range(max(len(tcp), len(ip))):
    print('%-14s %s' % (tcp[i] if i < len(tcp) else '—',
                         ip[i] if i < len(ip) else '—'))

print('TCP 协议号 %d' % socket.getprotobyname('tcp'))
print('UDP 协议号 %d' % socket.getprotobyname('udp'))

实跑输出：

--------------------------------------------------------------------
TCP 与 IP 分开，是结构上的分工
--------------------------------------------------------------------
**「TCP／IP 为什么拆成两个协议」这个问题，看字段名就明白了。**下面把两个头部的字段名摆出来对照。

  TCP 头里的字段     IP 头里的字段
  ---------------------------------
  源端口             版本
  目的端口           首部长度
  序号               区分服务
  确认号             总长度
  数据偏移           标识
  标志位             标志与片偏移
  窗口               生存时间
  校验和             协议
  紧急指针           首部校验和
  —                  源地址
  —                  目的地址

**左列九个字段里没有一个地址，右列表里没有一个端口**——**这不是巧合，是刻意分开的。**
**TCP 只管「哪个程序、第几个字节、收到没有」；IP 只管「从哪台机器、到哪台机器」。**
**所以换掉 TCP 不影响寻址，换掉 IP 不影响可靠性**——
**UDP 就是「只换掉 TCP」的产物：头部从 20 字节减到 8 字节。**

**本机协议表里 TCP 是 6 号、UDP 是 17 号**——
**两者在 IP 头里各占一个编号，是并列关系，不是上下关系。**

左列 9 个字段、右列 11 个字段，加起来正好是 20 字节与 20 字节： TCP 头最短 20 字节，IP 头最短也是 20 字节。 本机协议表里 TCP 是 6 号、UDP 是 17 号： 两者在 IP 头里各占一个编号，是并列关系，不是上下关系。 这一点最容易搞混——很多人以为「UDP 是 TCP 的简化版」，其实它们是同一层的两个不同选择。 右列那个「协议」字段只有 1 个字节，却能区分 256 种上层协议： 这就是为什么加新传输层协议不用改 IP 头。 拆开的价值，最终落在「一个字节的扩展位」上。

30 秒实验

1. 查一下 esp 与 ah 的协议号，看它们占了哪两个编号。
2. 数一下：TCP 头 20 字节 + IP 头 20 字节 = 40 字节， 这 40 字节里有多少是「地址」、多少是「可靠性」？
3. 想一下：如果只允许一个传输层协议，视频会议会变成什么样？

常见误区

1. 以为 UDP 是「TCP 的简化版」。 它们是同一层的两个并列选择，在 IP 头里各占一个协议号。
2. 以为 TCP／IP 是一个协议。 它是一族协议，IP 头里那个「协议」字段就是用来区分上层的。
3. 以为拆开是为了「分层好看」。 拆开是为了「能单独替换」，UDP、SCTP、 ESP 全都是替换的产物。

下一节讲这套协议怎么扩散开的：UNIX 与 BSD。

• ☐ （本节完，下一节 2.1.4 UNIX系统的普及与互联网的扩张）

相关笔记

• ARPANET的诞生
• UNIX系统的普及与互联网的扩张
• 📚 图解TCP／IP · 索引